CN1964879B - 用于铁路机车牵引电动机摩擦式支承轴承的内孔的改进内部轮廓 - Google Patents

Abstract

一种机车牵引电动机支承轴承结构的内孔的轮廓或断面，此处这种断面保持上面负载区的目前中心负载，但向内将下面负载区移动到更一般的中心位置上。按照本发明，用于支承轴承的内孔的断面不仅考虑到由于机车重量而造成的转向架轴弯曲，而且还考虑电动机通过轴承间隙倾斜、及由PE支承轴承和相邻的车轴齿轮上的重型径向负载的车轴上的联动作用。内孔这样配置，以便上表面是水平的，而在向内方向上向下成一角度倾斜，所述倾斜基于一与3个不对准因素有关的函数。在优选实施例中，内孔中间部分限定为一锥体的截锥形部分，所述锥体的截锥部分具有一顶垂线，顶垂线具有斜度和顶角，上述斜度基本上与水平线成1×M1。而上述顶角基本上是反正切2×M1，此处M1是与车轴上机车负载有关的不对准因素的值。

Description

用于铁路机车牵引电动机摩擦式支承轴承的内孔的改进内部轮廓

技术领域

本发明针对铁路机车牵引电动机，尤其是，针对摩擦式支承轴承，摩擦式电动机通过上述牵引支承轴承支承在铁路转向架的轴上，所述轴安装在机车的下侧，和尤其是，针对定制牵引电动机支承轴承内孔的几何形状或内孔断面的方法，以便优化在重负载条件下与机车轴颈的对准，并因此增加轴承负载能力和重负载条件下的轴承寿命。

背景技术

支承轴承与转向架轴颈之间的合适对准对保持良好的轴承性能是重要的，因为它提供轴颈与轴承之间的最大接触，以便这样保持最小的单位负载(lbs/in²)。这使轴承能承载较重的径向负载或者用更大的可靠性承载同样的径向负载。这适用于小齿轮端(PE)轴承和换向器端(CE)轴承二者，不过由于在该位置处的轻径向负载，所以它不象在CE位置处那样重要。

另外，通常做法是对小齿轮端和换向器端二者使用同一类型支承轴承。这样，因为较大的径向负载在小齿轮端存在，所以这种支承轴承必须如此设计，以便在小齿轮端处耐更大的磨耗。因此，用于在小齿轮端或换向器端使用的支承轴承的这种流行的部分可互换性的要求导致轴承适用于上述两个位置，但哪个位置也不是最佳。因此，目前做法是，对于装备有滑动摩擦轴承的机车牵引电动机，在重负载的PE位置和较少负载的CE位置二者处使用等同的支承轴承。这样，当对机车转向架轴的支承轴承提供新型内孔时，理想情况是对在PE位置处存在的不对准条件优化轴承内孔，并用下述一种方式做到这点，所述方式是即使对那个较小负载的轴承位置不优化，也能在CE位置处继续使用。

支承轴承不对准的主要原因是由于机车重量而产生的弯曲，而这个因素仅在理论上是易于使支承轴承的上面负载区朝向内方向移动离开支承轴承内孔的中心位置，而同时也使支承轴承的下面负载区朝向外位置移动离开内孔的中心位置。然而，在实际使用中，业已发现，这种情况在PE处实际上不发生；相反，业已发现，上面负载区一般保持位于中心，而下面负载区朝支承轴承的向外端移动离开中心。问题是必需理解为什么会发生这种情况，然后研究开发与发现一致的内孔轮廓或断面，以便有附加的弯曲转矩，同时使各负载区从预期的位置移动，上述内孔轮廓将保持现有上面负载区的理想位置，而同时将下面负载区移动到中心位置中。

在美国专利No.4940002(包括在本文中作为参考文献)中，公开了一种摩擦式支承轴承，所述摩擦式支承轴承在第一型式中具有歪斜或倾斜的内孔设计，所述歪斜或倾斜的内孔设计在重负载条件期间定位其中转向架轴颈。这种现有技术内孔设计考虑到由侧向间隔开的径向力所产生的转向架轴的转矩和弯曲负载，上述径向上间隔开的力来自机车在车轴的端部处作用在轴颈箱轴承上的重量和轨道作用在通过车轴安装的车轮上的反作用力，上述车轴的弯曲直接造成车轴部分贯穿带支承轴承内孔的牵引电动机摩擦式支承轴承的不对准。这种不对准造成支承轴承在其邻近车轴的传动齿轮的小齿轮端上的过大负载和磨耗。然而，尽管这种现有技术内孔设计可能有助于减轻在支承轴承小齿轮端上某种过大的负载集中，但它没有完全解决上述问题，在美国专利No.4940002的第二种型式中，公开了将内孔成形为可变动或改变的锥形部分，此处实际上有4个分开应用的锥形部分。在该第二型式中，提供了内孔的上面中心部分，所述内孔的上面中心部分当在垂直剖视图看时基本上是水平线或水平面，而同时内孔的下面或底部中心部分稍微倾斜。

在图1中示出一种典型的现有技术牵引电动机支承轴承的负载，所述负载具有标准的圆筒形内孔，而没有上述美国专利No.4940002的改进的内孔断面。对于牵引电动机支承轴承10的最佳总体性能和寿命，用于负载转向架轴的负载区应当定心。这样做是为了使通过油绳窗口12进入轴承内部的润滑剂润滑所有的接触表面积，上述油绳润滑器通过窗口接触车轴的轴颈。此外，两个负载区应如有一点可能的话，包含在油绳的总轴向尺寸内，以便再次保证最佳可能的润滑作用。图1中所示的例子是用于牵引电动机中的滑动摩擦支承轴承，上述牵引电动机具有8”标称直径的车轴，具有大约60000-70000磅的车轴负载和标准轨距的轮距。上述各参数的这种组合在PE轴承的中间长度部分处具有一车轴轴承斜度为约0.001英寸/英寸。每个PE牵引电动机支承轴承10都具有两个负载区，即上面负载荷区14和下面负载荷区16，并且由于普遍使用的25°齿轮齿压力角，所以这些负载区14和16往往是距垂直线最大约25°。在PE轴承的窗口一半中可以看到两种负载接触模式，同时上面负载模式是在润滑剂进入窗口的上方，而下面负载模式是在润滑剂进入窗口的下方。这些接触模式的轴向位置尤其有意义，因为它是理解在轴颈和支承轴承之间存在的不对准的关键。在图1中可以看出，上面负载接触模式完全集中在轴承长度中，而下面负载接触模式向外朝轴承凸缘18方向位移。理想的是，上面和下面负载模式二者都应集中在窗口的中间长度中，以便通过窗口接触轴颈的油绳润滑器提供最佳可能的润滑作用。另外，两种负载接触模式或者如果有一点可能的话都应包含在油绳润滑器的总轴向尺寸或范围内，以便再次保证最佳可能的润滑作用。如在图1中可以看出的，只有上面负载区集中。

尽管所用的现有技术圆筒形内孔轴承显示了上面负载区14集中，但下面负载区16的情况不是这样，下面负载区16是朝向外端或轴承凸缘方向歪斜。两个负载区14，16实际上在PE轴承的窗口一半中可见，同时上面负载区是在窗口的上方，而下面负载区是在窗口的下方。上面说明和显示的负载模式已在通用汽车公司的电动机部(EMD)牵引电动机上观察到，如在上述美国专利No.4940002中所公开的，具有8”直径的车轴和标准轨距的轮距。

上述美国专利No.4940002中所公开的两种型式，没有一种在解决下面负载区16的不对准时都是有效的。这是因为美国专利No.4940002的内孔断面仅考虑了与机车重量有关的车轴弯曲转矩。然而，按照本发明，可以发现，造成车轴弯曲和伴随的负载轴承不对准的其它负载和转矩也存在，迄今为止，上述其它负载和转矩未考虑到牵引电动机支承轴承内孔断面。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种改进的内部轮廓或断面，所述内部轮廓或断面用于机车牵引电动机的摩擦式支承轴承，更有弹性地考虑转向架车轴的所有弯曲动量，牵引电动机一部分安装在上述转向架车轴上，以便减少或消除支承轴承内孔和转向架车轴之间的不对准，并因此减少或消除支承轴承的上面和下面负载区的不对准。本发明的另一个主要目的是保持目前使用的支承轴承所显示的机车牵引电动机的摩擦式支承轴承上面负载区的一般集中的位置，而同时更好的将下面负载区对准到中心或更中心的位置上。

本发明的另一个主要目的是这样达到用于机车牵引电动机的摩擦式支承轴承的内孔轮廓或断面，以便这种断面在某些情况下，也可以用于换向器端(CE)摩擦式支承轴承的内孔，而同时不严重影响CE支承轴承的性能，因而可以使用和存放一种标准的牵引电动机摩擦式支承轴承，用于牵引电动机支承结构的PE端或CE端。

本发明的另一个主要目的是这样达到用于机车牵引电动机的摩擦式支承轴承的内孔轮廓或断面，以便其断面考虑与引起轴的弯曲有关的转矩力，上述转向架轴的弯曲包括由于下列原因所引起的车轴弯曲，所述车轴弯曲不仅由于机车重量，而且由于电动机通过轴承间隙而倾斜得到的那些，及车轴上的联动作用引起，上述车轴上的联动作用由在其PE端处与牵引电动机的小齿轮接合的PE支承轴承和侧向上并置的车轴轴承上的重径向负载得到。

按照本发明，用于机车牵引电动机支承轴承结构的内孔的轮廓或断面是对美国专利No.4940002中所公开的轮廓或断面的改进，并且这样以便保存用于上面负载区的目前集中的负载，但向内将下面负载区移到更一般的中心位置。按照本发明，用于支承轴承的内孔的断面不仅考虑由于机车重量而引起的转向架轴弯曲，而且还考虑由电动机通过轴承间隙倾斜所引起的转向架轴弯曲，及由PE支承轴承和相邻车轴齿轮上的重径向负载所引起的车轴上的联动作用。按照本发明，可以发现，后两个车轴弯曲因素抵消上面承载区中的第一因素，所述第一因素构成了上面负载区的一般是位于中心的定位，如上所述。然而，相反，后两个车轴弯曲因素与第一车轴弯曲因素结合，以便增加下面承载区中的不对准；因此，观察到了上述的下面承载区的向外方向不对准。

附图说明

参照附图将更容易理解本发明，其中：

图1是使用现有技术的机车牵引电动机小齿轮端支承轴承的典型PE窗口一半的等角视图，所述牵引电动机小齿轮支承轴承具有圆筒形内孔，并示出其上面和下面负载区的位置；

图2A是示出在垂直平面中作用在机车转向架轴上同时产生弯曲动量的所有附加转矩的示意图，上述附加的转矩影响机车转向架摩擦式支承轴承的上负载区的位置；

图2B类似于图2A，但示出在垂直的平面中作用在机车转向架轴上同时产生弯曲动量所有附加的转矩，上述附加的转矩影响机车转向架摩擦式支承轴承的下面负载区的位置；和

图3是示出本发明的内孔轮廓的剖视图。

具体实施方式

现在更详细参见附图，用于本发明的摩擦式支承轴承的内孔设计，打算在优选实施例中供与机车牵引电动机一起使用，上述机车牵引电动机由通用汽车公司下属的电动机部制造，如在上述美国专利No.4940002中所公开的。这种牵引电动机具有小齿轮端摩擦式支承轴承，所述摩擦式支承轴承有一内孔，该内孔供经过润滑的轴颈贯穿其中，牵引电动机通过上述轴颈部分地安装到转向架上。牵引电动机还通过在换向器端处的摩擦式支承轴承，及通过弹性的悬挂装置直接安装到转向架的横梁上部分地支承。这种机车牵引电动机与铁路机车一起使用，所述铁路机车具有8英寸车轴和标准轨距轮距，及近似60000-70000磅的车轴负载，并且由于单独机车重量而显示出了在PE支承轴承的中间长度处有接近0.001英寸/英寸的车轴弯曲斜度。

如上所述，美国专利No.4940002的内孔设计只考虑了机车重量对车轴弯曲的影响。然而，现已发现，在该专利中内孔设计未加以考虑的其它因素也影响车轴弯曲。这些因素已发现是由于轴承间隙而引起的车轴倾斜和歪斜、由于在PE支承轴承上的重径向负载而作用在车轴上的“联动”和另外由于在水平面中起作用的牵引力与齿轮分离力所引起的车轴弯曲的联合作用。

现在参见图2A和2B，由车轴弯曲力所引起的不对准或由机车重量所引起的转矩用标号M1表示；由电动机穿过轴承间隙的倾斜和歪斜所引起的不对准用标号M2表示；由PE支承轴承和相邻的车轴齿轮上的重径向负载作用在车轴上的“联动”所引起的不对准用标号M3表示。由在水平面中起作用的牵引力和齿轮分离力所引起的车轴弯曲，无论从哪点看都忽略不计，然而，只考虑垂直平面中产生不对准的主要因素的情况，上述垂直平面是不对准的主要平面。由机车重量所引起的不对准M1由力F1和F2与反作用力之间的水平间隙产生，上述力F1和F2通过作用在轴颈箱20上的机车重量形成，而反作用力从轨道作用在车轮22上。引起不对准的第二个因素M2从电动机30由于轴承间隙而产生的简单倾斜和歪斜得到。

引起不对准M3的第三个因素通过联动引起，上述第三个因素从作用在重径向负载支承轴承24和由牵引电动机的小齿轮驱动的并置式驱动的车轴齿轮26上的力F3和F4之间的水平间隙得到。

图2A和2B示出机车车轴在垂直平面中用于正向和反向的相对偏转和主要负载，及两种工作方式，所述两种工作方式是电力方式和动态制动方式，动态制动方式是通过牵引电动机本身完成。总体不对准的这些部件的方向或角方向随工作的方向而变，而无论是用机车工作的电力方式还是动态制动方式。图2A示出影响上面负载区(图1中14)中不对准的因素，而图2B示出影响下面负载区(图1中16)中不对准的因素。应该理解，在电力方式中朝一个方向引起不对准的因素具有与动态制动方式中朝相反方向相同的值和方向或角方向，如图2A和2B中所示。这样，在图2A中所示用于M2的力向量朝正向方向加到电力方式上，或朝反向方向加到动态制动方式上。图2B中所示的力向量朝反向方向加到电力方式上，或朝正向方向加到动态制动方式上。上述情况适用于不对准贡献者M3。

在图2A和2B中，由于机车重量产生的不对准M1对在PE轴承的中点处的不对准斜度规定为正或“+”方向。若考虑垂直平面中另外两个不对准的主要因素，即M2和M3，则这些因素分别按照这些分量是加上或是减去由车轴弯曲所引起的不对准而规定为“+”或“-”方向，上述M2是在轴承间隙中电动机颂斜的作用，而上述M3是相邻的齿轮负载和支承轴承负载产生联动的作用。因此，在图2A中，因为这些因素M2和M3抵消上负载区的力矩M1并因而减少不对准，所以它们用负值表示。然而，在图2B中，因为因素M2和M3加到下负载区16的转矩M1上，并因而增加不对准，所以它们用正值表示。

总不对准M是三个分量M1，M2和M3的向量或组合。如上所述，检验所用轴承中上面和下面负载模式确定，当轴承在其上面负载区(图2A)中加载时，总不对准M接近为零，因为负载模式位于中间。因此：

M＝M1-M2-M3＝0，

这意味着：

M1＝M2+M3。

对下面负载区(图2B)，总不对准：

M＝M1+M2+M3。

从上面负载区分析已知，M1＝M2+M3，所以对下面负载区得出结论是：

M＝2×M1。

尽管为了简单起见，将上述分析用方程式表示，但应该理解，这些实际上是向量近似。

现在参见图3，图3示出了按照本发明所述的支承轴承30的内孔断面。鉴于上述分析，支承轴承在垂直剖视平面中的最佳内孔轮廓是通过在轴承内孔的顶部、或上部，或一半处的水平的非倾斜的线或表面32描述，因为检验所用的轴承表明，具有这种配置的负载区已经基本上定心。从上述分析还可以得出，支承轴承在垂直剖视平面中的最佳内孔轮廓是在内孔30’的底部，或下部，或一半处的斜线或斜面34，上述斜线或斜面34的斜度等于总不对准M，它是2×M1的一种校正，如上所述。支承轴承30还具有扩口或锥形的端部40，42，如在上述美国专利No.4940002中所公开和讨论的。如上所述，对于8英寸的转向架轴，及机车重量是在60000-70000之间，M确定为近似0.001英寸/英寸。因此，在优选实施例中，下表面34的斜度为0.002英寸/英寸。

然而，应该理解，内孔30下表面34的斜度可以根据待使用的牵引电动机的类型、机车的重量、和车轴的直径变动。然而，在所有情况下，下面表面的斜度将以3个因素M1、M2和M3的组合为基础，这些因素由于所用牵引电动机的类型、机车重量、和车轴直径的这些变动而改变。

再参见图3，支承轴承30的内孔30’的中段的轮廓最好可以描述为非直角、或锐角形锥体，其中内孔30’的中心段是锥体的截锥段。这个锥体唯一由顶垂线40限定，所述顶垂线40具有与水平线成1×M1的斜度，且项角等于反正切2×M1。

尽管上述说明针对由通用汽车公司的EMD所制造的牵引电动机，但本发明的同一分析和基本的内孔配置也适用通用电气公司制造的牵引电动机。在GE牵引电动机的情况下，它适合供在同样轮距、同样近似的车轴负载范围、同样的轴承、齿轮和其它部件的总体安排的机车中使用。主要不同在于：标准GE车轴是9”，而GM车轴是8”；并且GE轴承长度约为较短3英寸，GE轴承约9”和EMD轴承12”。因此，GE油绳和窗口的轴向尺寸也相应地较短。此外，在GE情况下，轴向弯曲M1由于较大直径的车轴而可能少一点儿。尽管这种GE支承轴承具有凸冠形中心内孔而不是象GM型式中那样的圆筒形中心内孔，但端切口段类似于GM型式。这种凸冠形中心内孔可以再加工成具有凹面侧的锥体，所述锥体具有供与本发明一起用的歪斜式轴。

本发明的支承轴承的内孔可以通过对轴不对准的组合中的类型和附加因素的变化进行合适的调节，在其它领域和使用中有应用，如在牵引电动机环境中的滚动轴承的外环滚子轴承滚道中应用，和在具有不同车轴直径，车轴负载、和轮距的其它牵引电动机应用中适用于滚动轴承和滚柱轴承二者，及在其它应用中适用于滚动轴承和滚柱轴承二者。这些可能的其它应用可以包括船用和采矿设备、发电设备、建筑设备、及其它大型、军用、和工业轴承应用。

尽管已经示出和说明了本发明的具体实施例，但应该理解，在不脱离如所附权利要求书所述的本发明的范围和精神的情况下，其中可以进行无数的改变和修改。

Claims (2)

1.机车牵引电动机支承轴承，具有一用于将牵引电动机安装到转向架轴颈上的内孔，所述内孔具有上表面部分和下表面部分，每个上述上表面部分和下表面部分都限定其中间部分；上述上表面部分的中间部分基本上是水平的，而上述下表面部分的中间部分在向外方向上有一向下的斜度，其中改进包括：

上述下表面部分的中间部分的向下斜度有一数值，所述数值基于至少较低承载不对准因素的值：

机车重量引起的不对准M1，电动机倾斜和歪斜引起的不对准M2，和转向架轴上联动作用引起的不对准M3，

其中上述斜度近似等于2×M1。

2.按照权利要求1所述的机车牵引电动机支承轴承，其中上述中间部分限定为锥体的截锥形部分，所述锥体的截锥形部分具有顶垂线，所述顶垂线具有斜度和顶角，上述斜度基本上是与水平线成1×M1，而上述顶角基本上是反正切2×M1。